Биологи рассказали, как королевы шмелей дышат под водой

Зима в умеренных широтах — суровое испытание для многих животных. Чтобы пережить временный холод и голод, многие из них выработали особые механизмы сезонной адаптации.

Например, у насекомых это диапауза — фаза покоя, когда замедляется обмен веществ, что позволяет долго оставаться без пищи. Во время этого состояния организмы практически не нуждаются в энергии, они не размножаются и почти не растут, но их жизнедеятельность продолжается, хоть и с гораздо более медленным протеканием обменных процессов.

Шмелиные матки отлично освоили этот навык. После спаривания будущая королева роет в земле крошечную камеру — не глубже 15 сантиметров — и погружается в спячку на шесть, а то и на девять месяцев. Она единственная из всей колонии доживет до весны. Рабочие особи и самцы погибают еще до наступления холодов. Подземное убежище спасает от морозов, но не от других напастей: в почве королеву подстерегают паразиты, плесень, пестициды, а также талые и грунтовые воды, которые подтапливают норы.

Чтобы лучше понять, как неблагоприятные климатические условия влияют на живые организмы, способные к диапаузе, группа канадских биологов под руководством Сабрины Рондо (Sabrina Rondeau) из Гуэлфского университета в 2024 году провела эксперимент с матками шмелей Bombus impatiens. 

Ученые создали для насекомых условия, приближенные к зимним, и поместили маток в пробирки с землей, а после поместили в холодильник. В один из дней, проверяя подопечных, Рондо обнаружила, что из-за конденсата часть пробирок заполнилась водой. Четыре матки оказались полностью затоплены. К удивлению исследовательницы, все они были живы.

Чуть позже Рондо и ее коллеги на примере более ста маток Bombus impatiens доказали, что насекомые способны выживать под водой до семи дней. 

Теперь другая канадская группа биологов под руководством Шарля-Антуана Дарво (Charles-Antoine Darveau) из Оттавского университета попыталась выяснить, какой именно физиологический механизм помогает шмелям пережить такое испытание.

Дарво вместе с коллегами использовали специальные лабораторные камеры и датчики, чтобы измерить дыхание королев Bombus impatiens. Оказалось, что, находясь под водой, насекомые продолжают потреблять кислород и выделять углекислый газ. 

Приборы фиксировали небольшое, но стабильное образование углекислого газа. Оно продолжалось через несколько дней после полного погружения. Одновременно исследователи заметили уменьшение уровня растворенного кислорода в воде. Эти данные указывали на одно — королевы дышали под водой. Но каким образом?

Авторы научной работы объяснили, что секрет кроется в диапаузе. Такое возможно благодаря крайне медленному обмену веществ. Во время диапаузы метаболизм шмелей падает на 99 процентов и организм начинает тратить минимальное количество энергии. Под водой метаболизм замедляется еще сильнее. Поэтому даже того небольшого количества кислорода, которое поступает из воды, хватает, чтобы поддерживать жизнедеятельность. Однако, судя по всему, этот приток невелик, и организм частично компенсирует нехватку энергии за счет анаэробного обмена.

Биологи выяснили, что у погруженных в воду королев в тканях накапливается лактат (молочная кислота) — продукт обмена веществ, который образуется в клетках при нехватки кислорода. То есть такой способ получения энергии не требует участия кислорода. Похожий механизм включается у человека во время очень интенсивных нагрузок, например, во время спринта.

Период восстановления шмелей тоже оказался необычным. Когда насекомых доставали из воды, уровень лактата в их организме начинал снижаться и возвращался к норме примерно через семь дней. В первые дни после извлечения из воды королевы тратили много энергии, чтобы прийти в себя, поэтому скорость обмена веществ резко возрастала. Однако затем их метаболизм снова замедлялся до обычных для диапаузы значений. Уже через два-три дня королевы начинали двигаться, но полное восстановление метаболизма занимало до недели.

Теперь перед биологами стоит задача выяснить, каким образом шмели получают кислород под водой. Некоторые насекомые используют дыхательные трубки, напоминающие миниатюрные трубки для подводного плавания. Другие переносят с собой пузырек воздуха. 

Дарво предположил, что у шмелей, скорее всего, работают так называемые физические жабры. Это не отдельный орган, а тонкий слой воздуха, который удерживается на поверхности тела насекомого благодаря многочисленным волоскам. Пленка образует границу между телом и водой.

Кислород, растворенный в воде, постепенно проникает через эту воздушную прослойку в стигмы (дыхательные отверстия на теле), а затем через них попадает в трахеи — систему тонких трубок, по которым воздух у насекомых доставляется к тканям. В обратном направлении углекислый газ проделывает тот же путь: : из трахей он попадает в воздушную пленку, а из нее — в воду, где хорошо растворяется.

Благодаря такому обмену газами слой воздуха на поверхности тела может работать как своеобразная «жабра», позволяя насекомому получать кислород даже под водой. 

С эволюционной точки зрения механизм дыхания под водой у шмелей вполне логичен. Дарво объяснил, что предки соврменных шмелей появились на планете 25-40 миллионов лет назад. В ту эпоху климат резко изменился, и шмели освоили холодные арктические и альпийские регионы. Там, где есть снег, есть и талая вода. Поэтому к новым условиям пришлось приспосабливаться. 

По мнению исследователей, способность дышать под водой наверняка распространена среди большинства из 250 видов шмелей, которые сегодня встречаются на Земле.

Научная работа опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B.

Игорь Байдов

539 статей

Автор публикует материалы по астрономии, археологии и палеонтологии. В текстах освещает современные открытия, теории и ключевые находки, представляя актуальные данные в научно-популярном формате.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram